一種高彈性低成本錫磷青銅合金帶及其製備方法與流程

2023-05-04 07:33:06

本發明涉及一種錫磷青銅合金帶及其製備方法，特別涉及一種高彈性、低成本錫磷青銅合金帶及其製造方法。
背景技術：
：錫磷青銅Cu-Sn合金是通過Sn-P元素作用和冷加工硬化可獲得較好的機械性能，具有優良的彈性性能、耐腐蝕、耐磨、無磁性的特點，是銅基彈性合金材料上用量最大，用途最廣的彈性材料。錫是十大有色金屬中最緊缺的品種，也是為數不多的具備定價能力的有色金屬資源，隨著對錫資源開採程度的不斷提高，錫保有儲量明顯減少，我國錫礦資源短缺問題也已凸現，市場售價高。目前，國內最常用的錫青銅牌號有C5191(QSn6.5-0.1)、C5210(QSn8-0.3)，這些錫青銅的錫含量一般最高不超過8％，最少也不低於4％；在鑄造過程中，因錫青銅的凝固溫度範圍大，枝晶偏析嚴重，在塑性加工前需進行均勻化退火，含錫較高的錫青銅在高溫退火時，因β相有足夠的高溫塑性，加工性能較好，但低錫青銅的β相達不到要求，導致錫青銅材料的塑性、回彈性偏小，使用壽命比較短，且晶粒度不穩定，橫向彎曲性差，易出現裂紋。為保護稀缺資源，降低錫金屬使用量，通過調整材料微量元素成分和優化、改進工藝兩方面同時進行，設計開發一種彈性好、加工性能優良、熱導率高、錫含量小於4％的青銅合金帶。技術實現要素：本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種彈性好、加工性能優良、錫含量低的高彈性低成本錫磷青銅合金帶。本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種彈性好、加工性能優良、錫含量低的 高彈性低成本錫磷青銅合金帶的製備方法；其採用短流程工藝製備，降低成本。本發明解決上述第一個技術問題所採用的技術方案為：一種高彈性低成本錫磷青銅合金帶，其特徵在於該錫磷青銅合金帶的組成配比為包括：0.5～2.5wt％錫，0～1.0wt％鎳，0～1.0wt％鋅，0.05～0.5wt％鐵，0.05～0.5wt％磷，95～99wt％銅，不大於0.1wt％的不可避免的雜質；所述錫磷青銅合金帶具有滿足下列的晶粒取向關係I{420}/I0{420}＞2，其中I{420}是銅合金帶材表面的{420}結晶面的X射線衍射強度，I0{420}是純銅粉的表面的{420}結晶面的X射線衍射強度。作為優選，所述錫磷青銅合金帶的組成配比中還包括0～0.3wt％鋯。本發明解決上述第二個技術問題所採用的技術方案為：一種高彈性低成本錫磷青銅合金帶的製備方法，其特徵在於包括以下步驟：1)以電解銅、鎳板、鐵銅合金、鋅錠、錫塊和磷銅合金為原料，按照以下組分配比進行稱料：0.5～2.5wt％錫，0～1.0wt％鎳，0～1.0wt％鋅，0.05～0.5wt％鐵，0.05～0.5wt％磷，95～99wt％銅，不大於0.1wt％的不可避免的雜質。2)先將電解銅、鎳板和鐵銅合金加入有芯感應工頻熔化爐，熔化溫度為1240-1260℃，待全部熔化後，溫度降低到1220～1240℃，加入鋅錠、錫塊、磷銅合金，其中磷銅合金採用紫銅包裹；3)待上述原料全部熔化後，經光譜化驗，成分合格後，通過流槽轉爐到有芯感應工頻保溫爐內，溫度升到1180～1220℃後，保溫靜置30～60min後，進行拉鑄，拉鑄毛坯厚度為16.5～17.5mm，寬度為380～420mm，拉鑄速度為150～180mm/min；4)接著進行銑面，上下各銑面0.4-0.6mm，銑面後進行粗中軋，並在氣墊爐上進行短時固溶處理，固溶處理溫度控制在700℃～900℃，時間為10～40s；5)再進行剪邊、脫脂酸洗、烘乾後進行精軋，精軋後進行一次中間退火，退火溫度控制在400℃～550℃，保溫4～6h；6)最後進行成品冷軋，軋制率為0～40％，然後進行成品退火，退火溫度控制在150℃～300℃，保溫4～6h，脫脂酸洗烘乾，拉彎矯直進行矯直處理，分條，包裝。作為改進，所述步驟2)中加入鋅錠、錫塊、磷銅合金的時候，還可以加入銅鋯合金，銅鋯合金也採用紫銅包裹，使所製備的錫磷青銅合金帶中含有0～0.3wt％鋯。作為改進，所述步驟4)中的粗中軋的軋制加工率大於80％。配合短時高溫固溶時效處理，可使銅合金的晶粒取向從{220}改變成{420}，晶粒取向關係I{420}/I0{420}＞2，其中I{420}是銅合金帶材表面的{420}結晶面的X射線衍射強度，I0{420}是純銅粉的表面的{420}結晶面的X射線衍射強度，該材料具有高彈性模量和抗應力 鬆弛性能。作為改進，所述步驟5)中的精軋的軋制加工率大於70％。使晶粒組織破碎更劇烈，晶粒度由原來的10μm變為3μm，晶粒細化，組織的細化可以增加材料組織上單位面積的位錯，消除晶粒的各向異性，強化材料基體，形成「苛氏氣團」，提高材料的抗應力鬆弛能力和彈性模量。作為改進，所述步驟5)中的中間退火採用分級退火工藝，先將溫度升至530℃～550℃，保溫時間2h，然後降至460℃～480℃，保溫時4h。該分級退火達到時效析出處理效果，析出的FeP相可以固溶進基體，形成納米級粒子Fe3P，提高強化效果和熱穩定性。與現有技術相比，本發明的優點在於：優化了錫磷青銅合金的組分配比，在保持錫磷青銅合金性能的基礎上，將錫含量降低至0.5-2.5％，有效保護稀缺資源，同時添加Sn、P、Zr、Ni、Zn等合金元素，形成Fe3P、Cu2Zr等新相，抑制晶粒長大，提高材料的抗應力鬆弛性和抗疲勞能力；製備時採用≥70％大軋制加工率，可減少軋制道次，降低生產成本，同時採用快速升溫、冷卻的分級退火工藝，促進自發形核，提高合金帶材的強度、塑性以及抗高溫蠕變性。本發明的錫磷青銅合金帶彈性好、成本低、加工性能優良，高溫抗應力鬆弛性能穩定，彈性模量與現有C5191產品相當，可替代C5191錫青銅帶材，滿足電子電器、汽車等行業所用彈性元件的技術要求。具體實施方式以下結合實施例對本發明作進一步詳細描述。本發明的高彈性低成本錫磷青銅的成分含量範圍根據下述理由確定：磷：磷P是銅合金的有效脫氧劑，能增加錫青銅的流動性，但加大反偏析程度；添加0.03-0.35％磷，與Cu結合可形成Cu3P，可提高錫青銅的強度、硬度、彈性模量和疲勞強度等力學性能。鋅：鋅Zn是錫青銅一個常用的添加元素，也是降低電導率較少的元素，能大量溶解於銅-錫合金的α固溶體中，能改善合金的流動性，可減小結晶溫度範圍，減輕錫青銅的反偏析，同時能提高錫青銅的導電、導熱性；如高錫青銅中加入鋅過多，將導致材料的脆化，一般情況下主要用於低錫青銅。鐵：加入少量的鐵Fe元素可促進自發形核，細化晶粒度，顯著延緩再結晶，形成納米級Fe3P質點，提高材料的硬度、抗高溫蠕變性和彈性模量。如果添加的鐵含量超 過0.5％時，會出現過多的含鐵相，降低耐蝕性，影響工藝性能。鎳：鎳Ni元素的少量添加可減小結晶溫度間隔，提高鑄件的緻密性，減少偏析，改善加工性能。鋯：鋯Zr可以形成細小彌散的Cu5Zr、Cu3Zr，促進異質形核，細化鑄態合金組織，對位錯和亞晶界有強烈的釘扎作用。一種高彈性低成本錫磷青銅的製備方法，具體步驟為：首先將電解銅、鎳板和鐵銅合金加入有芯感應工頻熔化爐，熔化溫度為1240-1260℃，待全部熔化後，溫度降低到1220-1240℃，加入鋅錠、錫塊、磷銅合金和銅鋯合金(需要時候)，其中磷銅合金、銅鋯合金採用紫銅包裹，全部熔化後，經光譜化驗，成分合格後，通過流槽轉爐到有芯感應工頻保溫爐內，溫度升到1180-1220℃後，保溫靜置30-60min後，進行拉鑄，拉鑄毛坯厚度為16.5-17.5mm，寬度為380-420mm，拉鑄速度為150-180mm/min。接著進行銑面，上下各銑面0.4-0.6mm，銑面後進行粗中軋，粗中軋的軋制加工率大於80％，並在氣墊爐上進行短時固溶處理，固溶處理溫度控制在700℃-900℃，時間為10-40s；下一道進行剪邊、脫脂酸洗、烘乾後進行精軋，精軋的軋制加工率大於70％，精軋後進行一次中間退火，中間退火採用分級退火工藝，先將溫度升至530℃～550℃，保溫時間2h，然後降至460℃～480℃，保溫時4h；最後一道為成品冷軋，軋制率為0-40％，然後進行成品退火，退火溫度控制在150℃～300℃，保溫4～6h，脫脂酸洗烘乾，拉彎矯直進行矯直處理，分條，包裝。本發明製備的錫磷青銅帶與比較例化學成分如表1所示。比較例合金選取牌號為QSn6.5-0.1的合金。表1本發明實施例合金與比較例合金的化學成分(wt％)本發明合金製備流程按照原料→配料→熔煉→銑面→粗軋→厚帶縱剪→氣墊爐→精軋→中間退火→酸洗→成品精軋→低溫退火→酸洗→拉彎矯直→薄帶縱剪→成品檢驗。比較例合金QSn6.5-0.1製備流程按照原料→配料→熔煉→銑面→粗軋→中間退火 →中軋→中間退火→厚帶縱剪→酸洗→中軋→氣墊爐→精軋→氣墊爐→成品精軋→酸洗→拉彎矯直→薄帶縱剪→成品檢驗。本發明合金製備工藝比比較例合金QSn6.5-0.1少了2道次的中軋、1道次中間退火、1道次氣墊爐退火，多了1次成品低溫退火，採用短流程工藝製備。本發明實施例合金及比較例合金測試性能如下：1、力學性能表2為本發明實施例合金與比較例合金的抗拉強度、延伸率、屈服強度和維氏硬度值。表2實施例與比較例合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率和維氏硬度值實施例抗拉強度、屈服強度、延伸率均與比較例合金相當，均可以達到相同的強度，其塑性和加工性能相當，特別是實施例2其性能與比較例性能一樣。2、彈性性能表3為本發明實施例的彈性模量和抗應力鬆弛性能。其中彈性模量是採用應變片法在拉伸試驗機上測量；抗應力鬆弛性能是在溫度為180℃下，保溫72小時後，銅帶材產生的鬆弛量。表3發明實施例與比較例合金的彈性性能材料編號彈性模量/GPa抗應力鬆弛性能/％實施例111924.6實施例212321.3實施例312419.5比較例QSn6.5-0.112020.7本發明實施例合金彈性模量和抗應力鬆弛性能與比較例合金幾乎一樣，所以其彈性性能幾乎相當。說明該材料具有高彈性模量和抗應力鬆弛性能。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp